[Claims] 薄膜トランジスタのためのｎ型半導体材料

【特許請求の範囲】
【請求項１】
各イミド窒素原子に結合された、それぞれ6～14個の環炭素を有する、第1及び第2の炭素環式芳香族環系を有するN,N'-ジアリール置換型ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド化合物を含む有機半導体材料から成る薄膜を、薄膜トランジスタ内に含む物品であって、該炭素環式芳香族環系のうちの少なくとも一方に、1つ又は2つ以上の置換基が存在しており、該置換基が、独立して選択された電子供与有機置換基である物品。
【請求項２】
該第1及び第2の炭素環式芳香族環系は独立して、置換型又は無置換型フェニル、ナフチル、アントリル、フェナントリル、又はフルオレニル環である請求項1に記載の物品。
【請求項３】
前記構造内の第1及び第2の炭素環式芳香族環系の両方が、少なくとも1つの電子供与基で置換されている請求項1に記載の物品。
【請求項４】
該第1及び第2の炭素環式芳香族環系のうちの一方又は両方が、CH3、線状又は分枝状C2～C4アルキル、アルケニル、アルコキシ、又は炭素原子数1～4の他の電子供与有機基から選択された少なくとも1つの電子供与基によって置換されている請求項3に記載の物品。
【請求項５】
該薄膜トランジスタが、誘電層、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を含む電界効果トランジスタであり、そして該ゲート電極と該有機半導体材料薄膜との両方が該誘電層と接触し、該ソース電極と該ドレイン電極との両方が該有機半導体材料薄膜と接触している限り、該誘電層、該ゲート電極、該有機半導体材料薄膜、該ソース電極、及び該ドレイン電極が任意の配列を成している請求項1に記載の物品。
【請求項６】
該有機半導体材料薄膜が、0.01 cm2/Vsを上回る電子移動度を示すことができる請求項1に記載の物品。
【請求項７】
該有機半導体材料薄膜が、下記構造：
【化１】
イメージ ID=000015

（上記式中、2つのフェニル環のうちの第1の環上で、R1、R2、R3、R4、及びR5が、そして2つのフェニル環のうちの第2の環上で、R6、R7、R8、R9、及びR10が、それぞれ独立して、H又は電子供与有機基であり、該構造内の該第1及び第2のフェニル環のうちの一方又は両方が少なくとも1つの電子供与基で置換されるように、R1～R10基のうちの少なくとも1つは電子供与有機基であり、そしてYは、該有機半導体材料の効果的な半導体特性に不都合な影響を及ぼさない置換基であり、そしてmは0～4である）
によって表されるN,N'-ジアリール置換型1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド化合物を含む請求項1に記載の物品。
【請求項８】
R1～R10基のいずれも電気陰性基ではない請求項7に記載の物品。
【請求項９】
R1～R10基のいずれもフッ素含有基又はアリール置換基ではない請求項8に記載の物品。
【請求項１０】
前記構造内の該第1及び第2のフェニル環の両方が、少なくとも1つの電子供与基で置換されている請求項7に記載の物品。
【請求項１１】
該第1及び第2のフェニル環のうちの一方又は両方が、アルキル基である少なくとも1つの電子供与基によって置換されている請求項10に記載の物品。
【請求項１２】
前記構造内で、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、及びR10が、それぞれ独立して、H、CH3、線状又は分枝状C2～C4アルキル、アルケニル、アルコキシ、又は炭素原子数1～4の他の電子供与有機基から選択される請求項7に記載の物品。
【請求項１３】
前記構造内で、R1、R2、R3、R4、及びR5のうちの少なくとも2つがHであり、そしてR6、R7、R8、R9、及びR10のうちの少なくとも2つがHである請求項7に記載の物品。
【請求項１４】
前記構造内で、R1、R2、R3、R4、及びR5のうちの少なくとも3つがHであり、そしてR6、R7、R8、R9、及びR10のうちの少なくとも3つがHである請求項13に記載の物品。
【請求項１５】
前記構造内で、R1、R3、R4、R5、R6、R8、R9、及びR10の全てがHであり、且つR2及びR7のうちの少なくとも一方がアルキル基であるか；又は、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、及びR10の全てがHであり、且つR1及びR6のうちの少なくとも一方がCH3である請求項7に記載の物品。
【請求項１６】
該2つのフェニル環のそれぞれの環上に、独立して選択された電子供与有機置換基が厳密に1つあり、そして該置換基が同一性及び／又は位置において異なっているか、又は、該置換基が同一性及び位置において同じである場合は、該置換基が、該イミド窒素に対して該2つのフェニル環のそれぞれの環上のパラ位置でなくオルト又はメタ位置にある請求項7に記載の物品。
【請求項１７】
該電子供与基及び／又はY基が独立して、アルキル、アルケニル、及びアルコキシ基から選択される請求項7に記載の物品。
【請求項１８】
該薄膜トランジスタのソース／ドレイン電流のオン／オフ比が、少なくとも104である請求項1に記載の物品。
【請求項１９】
該ゲート電極が、該有機半導体材料薄膜を通る該ソース電極と該ドレイン電極との間の電流を、該ゲート電極に印加される電圧によって制御するように適合されている請求項5に記載の物品。
【請求項２０】
該誘電層が、無機又は有機の電気絶縁材料を含む請求項5に記載の物品。
【請求項２１】
該薄膜トランジスタが、任意選択的に可撓性である非関与支持体をさらに含む請求項1に記載の物品。
【請求項２２】
該ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極がそれぞれ独立して、ドープ型シリコン、金属、及び導電性ポリマーから選択された材料を含む請求項5に記載の物品。
【請求項２３】
電子デバイスであって請求項1に記載の複数の薄膜トランジスタを含む集積回路、アクティブ・マトリックス・ディスプレイ、及び太陽電池から成る群から選択される電子デバイス。
【請求項２４】
該複数の薄膜トランジスタは、任意選択的に可撓性である非関与支持体上にある請求項23に記載の電子デバイス。
【請求項２５】
必ずしも下記順序通りではなく、
(a) 各イミド窒素原子に結合された、それぞれ6～14個の環炭素を有する、第1及び第2の炭素環式芳香族環系を有するN,N'-ジアリール置換型ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド化合物を含むnチャネル有機半導体材料から成る薄膜を、基板上に堆積させる工程、
ここで、該炭素環式芳香族環系のうちの少なくとも一方に、1つ又は2つ以上の置換基が存在しており、該置換基は、該有機半導体材料が0.01 cm2/Vsを上回る電界効果電子移動度を示すように独立して選択された電子供与有機置換基である、
(b) 離隔されたソース電極とドレイン電極とを形成する工程、ここで、該ソース電極と該ドレイン電極は、nチャネル半導体膜によって分離され、そして該nチャネル半導体膜と電気的に接続されている；そして
(c) 該nチャネル有機半導体材料薄膜から離隔されたゲート電極を形成する工程
を含んで成る薄膜半導体デバイスの製作方法。
【請求項２６】
該化合物が、昇華によって該基板上に堆積され、そして該基板が、堆積中に100℃以下の温度を有している請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
該化合物が、N,N'-ビス[2-メチル-フェニル]-ナフタレン-1,4,5,8テトラカルボン酸ジイミド、N,N'-ビス[3-メチル-フェニル]- ナフタレン-1,4,5,8テトラカルボン酸ジイミド、又はN,N'-ビス[4-メチル-フェニル]-ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸ジイミド、又はN,N'-ビス[3-メチル-フェニルメチル]-ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸ジイミド、又はN-(2-メチル-フェニル)、 N'-(3-メチル-フェニル)-ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸ジイミド、又はN-(4-メチル-フェニル)、N'-(3-メチル-フェニル)-ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸ジイミドである請求項25に記載の方法。
【請求項２８】
必ずしも下記順序通りではなく、
(a) 基板を用意する工程；
(b) 該基板上にゲート電極材料を用意する工程；
(c) 該ゲート電極材料上にゲート誘電体を用意する工程；
(d) 該ゲート誘電体上に、nチャネル有機半導体材料薄膜を堆積させる工程；
(e) 該nチャネル有機半導体材料薄膜に隣接して、ソース電極及びドレイン電極を用意する工程
の各工程を含んで成る請求項25に記載の方法。
【請求項２９】
該工程が記載順序で行われる請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
該基板が可撓性であり、そして該方法が、全体的に100℃のピーク温度より下で行われる請求項28に記載の方法。

1. An article comprising, in a thin film transistor, a thin film of organic semiconductor material that comprises an N,N'-diaryl-substituted naphthalene tetracarboxylic diimide compound having a first and a second carbocyclic aromatic ring system, each having 6 to 14 ring carbons, attached to each imide nitrogen atom, wherein there are one or more substituents, on at least one of the carbocyclic aromatic ring systems, which substituents are independently selected electron donating organic substituents.

2. The article of claim 1, wherein the first and the second carbocylic aromatic ring system is independently a substituted or unsubstituted phenyl, naphthyl, anthryl, phenanthryl, or fluorenyl ring.

3. The article of claim 1 , wherein both of the first and the second carbocyclic aromatic ring system, in said structure, are substituted with at least one electron donating group.

4. The article of claim 3 wherein either one or both of the first and the second carbocyclic aromatic ring system are substituted by at least one electron donating group that is selected from CH3, linear or branched C2-C4 alkyl, alkenyl, alkoxy, or other electron donating organic group having 1 to 4 carbon atoms.

5. The article of claim 1 wherein the thin film transistor is a field effect transistor comprising a dielectric layer, a gate electrode, a source electrode and a drain electrode, and wherein the dielectric layer, the gate electrode, the thin film of organic semiconductor material, the source electrode, and the drain electrode are in any sequence as long as the gate electrode and the thin film of organic semiconductor material both contact the dielectric layer, and the source electrode and the drain electrode both contact the thin film of organic semiconductor material.

6. The article of claim 1 wherein the thin film of organic semiconductor material is capable of exhibiting electron mobility greater than 0.01 cm2/Vs.

7. The article of claim 1, wherein the thin film of organic semiconductor material comprises a N,N'-diaryl-substituted-l,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic acid diimide compound represented by the following structure:wherein, on a first of two phenyl rings, R1, R2, R3, R4, and R5 and, on a second of two phenyl rings, R6, R7, R8, R9, and R10are each independently H or an electron donating organic group, wherein at least one of the R to R groups is an electron donating organic group, such that either one or both of the first and the second phenyl rings in the structure are substituted with at least one electron donating group, and wherein Y is a substituent that does not adversely affect the effective semiconductor properties of the organic semiconductor material, and m is 0 to 4.

8. The article of claim 7 wherein none of the R1 to R10 groups is an electronegative group.

9. The article of claim 8 wherein none of the R1 to R10 groups is a fluorine-containing group or an aryl substituent.

10. The article of claim 7 wherein both of the first and the second phenyl rings, in the structure, is substituted with at least one electron donating group.

11. The article of claim 10 wherein either one or both of the first and the second phenyl rings are substituted by at least one electron donating group that is an alkyl group.

12. The article of claim 7, wherein in the structure R , R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, and R10 are each independently selected from H, CH3, linear or branched C2-C4 alkyl, alkenyl, alkoxy, or other electron donating organic group having 1 to 4 carbon atoms.

13. The article of claim 7, wherein in the structure at least two of R1, R2, R3, R4 and R5 are H and at least two of R6, R7, R8, R9, and R10 are H.

14. The article of claim 13, wherein in the structure at least three of R1, R2, R3, R4 and R5 are H and at least three of R6, R7, R8, R9, and R10 are H.

15. The article of claim 7, wherein in the structure either all of R1, R3, R4, R5, R6, R8, R9, and R10 are H, and at least one of R2 and R7 is an alkyl group; or all of R2, R3, R4, R5, R7, R8, R9, and R10 are H, and at least one of R1 and R6 are CH3.

16. The article of claim 7, wherein there is exactly one independently selected electron donating organic substituent on each of the two phenyl rings, and wherein either the substituents differ in identity and/or position or, if the substituents are the same in identity and position, the  substituents are on in the ortho or metal position, not in the para position, on each of the two phenyl rings with respect to the imide nitrogen.

17. The article of claim 7 wherein the electron donating groups and/or the Y groups are independently selected from alkyl, alkenyl, and alkoxy groups.

18. The article of claim 1 , wherein the thin film transistor has an on/off ratio of a source/drain current of at least 104.

19. The article of claim 5, wherein the gate electrode is adapted for controlling, by means of a voltage applied to the gate electrode, a current between the source and drain electrodes through the thin film of organic semiconductor material.

20. The article of claim 5 wherein the dielectric layer comprises an inorganic or organic electrically insulating material.

21. The article of claim 1 wherein the thin film transistor further comprises a non-participating support that is optionally flexible.

22. The article of claim 5 wherein the source, drain, and gate electrodes each independently comprise a material selected from doped silicon, metal, and a conducting polymer.

23. An electronic device selected from the group consisting of integrated circuits, active-matrix display, and solar cells comprising a multiplicity of thin film transistors according to claim 1.

24. The electronic device of claim 23 wherein the multiplicity of the thin film transistors is on a non-participating support that is optionally flexible.

25. A process for fabricating a thin film semiconductor device, comprising, not necessarily in the following order, the steps of: (a) depositing, onto a substrate, a thin film of n-channel organic semiconductor material that comprises an N,N'-diaryl-substituted-naphthalene tetracarboxylic diimide compound having a first and a second carbocyclic aromatic ring system, each having 6 to 14 ring carbons, attached to each imide nitrogen atom, wherein there are one or more substituents, on at least one of the carbocyclic aromatic ring systems, which substituents are independently selected electron donating organic substituents, such that the organic semiconductor material exhibits a field effect electron mobility that is greater than 0.01 cm 2 /Vs; (b) forming a spaced apart source electrode and a drain electrode, wherein the source electrode and the drain electrode are separated by, and electrically connected with, the n-channel semiconductor film; and (c) forming a gate electrode spaced apart from the thin film of n-channel organic semiconductor material.

26. The process of claim 25, wherein the compound is deposited on the substrate by sublimation and wherein the substrate has a temperature of no more than 100°C during deposition.

27. The process of claim 25, wherein the compound is N5N'- bis[2-methyl-phenyl]-naphthalene-l, 4,5,8 tetracarboxylic acid diimide, N5N'- bis[3-methyl-phenyl]~naphthalene-l ,4,5,8 tetracarboxylic acid diimide, or N5N'- bis[4-methyl-phenyl]-naphthalene-l,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide or N5N'- bis[3-methyl-phenylmethyl]-naphthalene-l54,5,8-tetracarboxylic acid diimide or N-(2-methyl-phenyl), N'-(3-methyl-phenyl)-naphthalene-l545558-tetracarboxylic acid diimide or N-(4-methyl-phenyl), N'-(3-methyl-phenyl)-naphthalene-l,4,5,8- tetracarboxylic acid diimide.

28. The process of claim 25 comprising, not necessarily in order, the following steps:

(a) providing a substrate;

(b) providing a gate electrode material over the substrate;

(c) providing a gate dielectric over the gate electrode material;

(d) depositing the thin film of n-channel organic semiconductor material over the gate dielectric:

(e) providing a source electrode and a drain electrode contiguous to the thin film of n-channel organic semiconductor material.

29. The process of claim 28 wherein the steps are performed in the order listed.

30. The process of claim 28 wherein the substrate is flexible and the process is carried out in its entirety below a peak temperature of 1000C.

「特表2009-514223およびWO2007053303より引用」